一、为什么要有操作系统
现在的计算机是由一个或者多个CPU、RAM、硬盘、键盘、鼠标、显示器、打印机、网络接口等其他输入输出设备组成的，所以其是一个极其复杂的结构，程序员要是基于这些硬件来直接开发程序，简直超乎人类极限，所以为了管理这些部件并加以优化使用，则开发出了一种基于其上的一种软件（系统软件），以便为用户提供更直观、更简单、更清晰的计算机模型，以便来管理这些设备，进行开发。
总结：程序员无法把所有的硬件操作细节都了解到，管理这些硬件并加以优化是非常繁琐的工作，所以来交给系统来干，有了它，程序员只管编写系统就可以了，应用软件直接用那些操作系统来管理硬件。
二、什么是操作系统
操作系统就是一个协调、控制、管理计算机硬件资源和软件资源的控制器。
操作系统位于计算机硬件与应用软件之间，本质也是一个软件，操作系统由操作系统的内核（运行于内核态，管理硬件资源）以及系统调用（运行于用户态，为应用程序员写的应用程序提供系统调用接口）两部分组成，所以单纯地说操作系统是运行于内核态，是不准确的。
细说的话，操作系统应该分成两部分功能：
1、隐藏了丑陋的硬件调用接口，为应用程序员提供调用硬件资源的更好更简单更清晰的模型（系统调用接口）。应用程序员有了这些接口后，就不用再考虑操作硬件的细节，专心开发自己的应用程序即可。例如比如，磁盘资源的抽象是文件系统（C盘，D盘，E盘...下的目录及文件），有了文件的概念，我们直接打开文件，读或者写就可以了，无需关心记录是否应该使用修正的调频记录方式，以及当前电机的状态等细节。
操作系统的实际客户是应用程序（应用程序员负责开发应用程序，因而也可以说应用程序员是操作系统的客户）。应用程序直接与操作系统及其抽象打交道。最终，用户则是应用程序（即用户接口）打交道，或者是命令行shell或者是图形界面（比如桌面），他们都知识运行于操作系统之上的软件，并不属于操作系统。
2、将应用程序对硬件资源的竞态请求变得有序化，例如：很多应用软件其实是一套计算机硬件，比方说有可能由三个应用程序同时需要申请打印机来输出内容，那么a程序竞争得到了打印机资源就打印，然后可能是b竞争到打印机资源，也可能是c，这就导致了无序，打印机可能打印一段a的内容，然后又去打印c，操作系统地一个功能就是将这种无序变得有序（多路复用）。
三、操作系统与普通软件的区别
1、主要区别是：你可以写出一个应用软件，但是你无法写一个属于操作系统已部分的程序（时钟中断处理程序），操作系统由硬件保护，不能被用户更改。
2、操作系统与用户程序的差异不在于二者所处的地位，特别是操作系统是一个大型、复杂、长寿的软件。
2.1大型：linux或windows的源代码有五百万行数量级。按照每页50行共1000行的书来算，五百万行要有100卷，要用一整个书架子来摆置，这还仅仅是内核部分。用户程序，如GUI，库以及基本应用软件（如windows Explorer等），很容易就能达到这个数量的10倍或者20倍之多。
2.2长寿：操作系统很难编写，如此大的代码量，一旦完成，操作系统所有者便不会轻易扔掉，再写一个。而是在原有的基础上进行改进。（基本上可以把windows95/98/Me看出一个操作系统，而windows NT/2000/XP/Vista则是两位一个操作系统，对于用户来说它们十分相似。还有UNIX以及它的变体和克隆版本也演化了多年，如System V版，Solaris以及FreeBSD等都是Unix的原始版，不过尽管linux非常依照UNIX模式而仿制，并且与UNIX高度兼容，但是linux具有全新的代码基础）
四、操作系统发展史
1、第一代计算机（1940~1955）：真空管和穿孔卡片
背景：战争是改变人类的最好方式，在这个时期，同一个小组里的工程师们，设计、建造、编程、操作及维护同一台机器，所有的程序设计是用纯粹的机器语言编写的，甚至更糟糕，需要通过成千上万根电缆街道插件板上连成电路来控制机器的基本功能。没有程序设计语言（汇编也没有），操作系统则是从来都没听说过。
特点：没有操作系统的概念，所有的程序设计都是由纯粹的及其语言编写的。
工作过程：程序员在墙上的机时表预约一段时间，然后程序员拿着他的插件版到机房里，将自己的插件板街道计算机里，这几个小时内他独享整个计算机资源，后面的一批人都得等着(两万多个真空管经常会有被烧坏的情况出现)。后来出现了穿孔卡片，可以将程序写在卡片上，然后读入机而不用插件板。
优点：程序员再申请的时间段单独享用整个资源，即使调试，如有bug可以即使处理。
缺点：浪费资源。
2、第二代计算机（1955~1965）：晶体管和批处理系统
背景：由于当时的计算机非常昂贵，自认很自然的想办法较少机时的浪费。通常采用的方法就是批处理系统。
特点：设计人员、生产人员、操作人员、程序人员和维护人员直接有了明确的分工，计算机被所在空调房间中，由专业操作人员运行，这便是大型机。即人与计算机结合的系统，需要人参与。并且有了程序设计语言，FORTRAN语言或会变语言，写到纸上，然后穿孔打成卡片，再将卡片盒叨叨输入室，交给操作人员。
工作过程：插图
第一代计算机的问题是：人机交互太多了（人机交互过程：输入-》计算-》输出），
一个人的交互：输入-》计算-》输出
10个人的交互：
输入-》计算-》输出
输入-》计算-》输出
输入-》计算-》输出
输入-》计算-》输出
输入-》计算-》输出
第二代如何解决第一代的问题：
1.把一堆人的输入攒成一大波输入。
2.然后顺序计算（这是有问题的，但是第二代计算也没有解决）。
3.把一堆人的输出攒成一大波输出。
现代操作系统的前身：
在收集了大约一个小时的批量作业之后，这些卡片被读入磁带，然后磁带被送到机房里并装到磁带上。然后磁带被送到机房里并装到磁带机上。随后，操作员装入一个特殊的程序，它负责从磁带上读入第一个作业（job，一个或一组程序）并运行，其输出写到第二个磁带上，而且不打印。每个作业结束后，操作系统自动的从磁带上读入下一个作业并且运行。当一整批的作业全部结束后，操作员去下输入和输出磁带，讲输入磁带换成下一批作业，并且把输出磁带拿到一台1041机器上进行脱机（不与主计算机联机）打印，这一套需要人参的情况下机器才能运行的系统乃现代操作系统的前身
优点：批处理，节省了机时
缺点：
1.整个流程需要人参与控制，将磁带搬来搬去（中间俩小人）。
2.计算的过程仍然是顺序计算-》串行。
3.程序员原来独享一段时间的计算机，现在必须被统一规划到一批作业中，等待结果和重新调试的过程都需要等同批次的其他程序都运作完才可以（这极大的影响了程序的开发效率，无法及时调试程序）。
3、第三代计算机（1965~1980）：集成电路芯片和多道程序设计
第三代计算机的产生背景：
20世纪60年代初期，大多数计算机厂商都有两条完全不兼容的生产线。
一条是面向字的：大型的科学计算机，如IBM 7094，见上图，主要用于科学计算和工程计算，另外一条是面向字符的：商用计算机，如IBM 1401，见上图，主要用于银行和保险公司从事磁带归档和打印服务开发和维护完全不同的产品是昂贵的，同时不同的用户对计算机的用途不同。
IBM公司试图通过引入system/360系列来同时满足科学计算和商业计算，360系列低档机与1401相当，高档机比7094功能强很多，不同的性能卖不同的价格，360是第一个采用了（小规模）芯片（集成电路）的主流机型，与采用晶体管的第二代计算机相比，性价比有了很大的提高。这些计算机的后代仍在大型的计算机中心里使用，此乃现在服务器的前身，这些服务器每秒处理不小于千次的请求。
如何解决第二代计算机的问题
1：卡片被拿到机房后能够很快的将作业从卡片读入磁盘，于是任何时刻当一个作业结束时，操作系统就能将一个作业从磁带读出，装进空出来的内存区域运行，这种技术叫做：SPOOLING，该技术同时用于输出。当采用了这种技术后，就不在需要IBM1401机了，也不必将磁带搬来搬去了（中间俩小人不再需要）。
2：第三代计算机的操作系统广泛应用了第二代计算机的操作系统没有的关键技术：多道技术多道技术中的多道指的是多个程序，多道技术的实现是为了解决多个程序竞争或者说共享同一个资源（比如cpu）的有序调度问题，解决方式即多路复用，多路复用分为时间上的复用和空间上的用。
2.1空间上的复用：将内存分为几部分，每个部分放入一个程序，这样，同一时间内存中就有了多道程序。
2.2时间上的复用：当一个程序在等待I/O时，另一个程序可以使用cpu，如果内存中可以同时存放足够多的作业，则cpu的利用率可以接近100%，类似于我们小学数学所学的统筹方法。
空间上的复用最大的问题是：程序直接的内存必须分割，这种分割在硬件层面实现，由操作系统控制实现。如果内存彼此不分割，则一个程序可以访问另外一个程序的内存。
首先丧失的是安全性，比如你的qq程序可以访问操作系统的内存，这意味着你的qq可以拿到操作系统的所有权限。
其次丧失的是稳定性，某个程序崩溃时有可能把别人的内存也给回收了，比方说把操作系统的内存给回收了，则操作系统崩溃。
第三代计算机的操作系统仍然是批处理，许多程序员怀念第一代独享的计算机，可以即时调试自己的程序。为了满足程序员们很快可以得到响应，出现了分时操作系统。
如何解决第二代计算机的问题：分时操作系统：多个联机终端+多道技术。
20个客户端同时加载到内存，有17在思考，3个在运行，cpu就采用多道的方式处理内存中的这3个程序，由于客户提交的一般都是简短的指令而且很少有耗时长的，索引计算机能够为许多用户提供快速的交互式服务，所有的用户都以为自己独享了计算机资源。
CTTS：麻省理工（MIT）在一台改装过的7094机上开发成功的，CTSS兼容分时系统，第三代计算机广泛采用了必须的保护硬件（程序之间的内存彼此隔离）之后，分时系统才开始流行MIT，贝尔实验室和通用电气在CTTS成功研制后决定开发能够同时支持上百终端的MULTICS（其设计者着眼于建造满足波士顿地区所有用户计算需求的一台机器），很明显真是要上天啊，最后摔死了。
后来一位参加过MULTICS研制的贝尔实验室计算机科学家Ken Thompson开发了一个简易的，单用户版本的MULTICS，这就是后来的UNIX系统。基于它衍生了很多其他的Unix版本，为了使程序能在任何版本的unix上运行，IEEE提出了一个unix标准，即posix（可移植的操作系统接口Portable Operating System Interface）。
后来，在1987年，出现了一个UNIX的小型克隆，即minix，用于教学使用。芬兰学生Linus Torvalds基于它编写了Linux。